ПРЕДИСЛОВИЕ К ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ

В разделе геофизические исследования представлена геофизическая информация, отражающая результаты новейших исследований по проблеме изменения природной среды и биосферы Земли, а также глобального климата Земли (как важнейшей характеристики природной среды), в связи с многолетними вариациями приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации, определяемыми небесно – механическими процессами. То есть, отклика отдельных компонентов природной среды: атмосферы, Мирового океана, криосферы и биосферы, а также климатической характеристики природной среды на внешний сигнал – изменчивость приходящей солнечной радиации. Представлены рассчитанные на основе уравнения регрессии прогностические сценарии изменения приповерхностной температуры Земли, температуры поверхностного слоя Мирового океана, площади морских льдов, продолжительности зональной и меридиональной циркуляции и другая геофизическая информация.

Табл. 1 Распределение средней температуры лучистого равновесия (т.е. при стационарной атмосфере) и фактически наблюдаемая температура воздуха по широтам в северном полушарии (Погосян, 1959; Погосян, Туркетти, 1970; Дроздов и др., 1989).

Рис. 1 Распределение средней температуры лучистого равновесия (1) и фактически наблюдаемая температура воздуха (2) по широтам в северном полушарии (по данным Погосян, 1959; Погосян, Туркетти, 1970; Дроздов и др., 1989).

Рис. 2 Изменение значений аномалии приповерхностной температуры Земли (1), северного (2) и южного (3) полушария относительно средних значений за период с 1961 по 1990. По данным архива Abstem3 университета Восточной Англии (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature/)

Табл. 2 Средние многолетние значения приповерхностной температуры (С) в северном полушарии по данным университета Восточной Англии за период 1961 – 1990 гг. (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature/)

Температурный режим атмосферы и океана является важнейшей составляющей климата (наряду с атмосферными осадками и циркуляционными процессами в атмосфере и океане). Температурный режим Земли в основном определяется приходящим от Солнца радиационным излучением, преобразующимся в тепловое излучение при инсоляции земной поверхности. С изменением температурного режима связаны изменения в интенсивности теплообмена в атмосфере и океане, изменения площади морских льдов, развитие и деградация ледников, вечной мерзлоты в земной криосфере, изменение урожайности различных культур, смена ареалов растительности и т.д. в биосфере Земли.

Атмосфера – сложная динамическая система, для которой с известной долей упрощения можно отметить две важнейшие функции. Первая – это парниковый эффект или удержание тепла. Пропуская приходящую от Солнца коротковолновую радиацию, атмосфера задерживает длинноволновую радиацию, излучаемую земной поверхностью. Эта функция зависит, прежде всего, от состава (плотность) атмосферы. Количественно величина парникового эффекта определяется как разница между эффективной температурой Земли (рассчитывается из уравнения закона Стефана – Больцмана и равняется 249К или -24 С) и средней приповерхностной температурой Земли (около 14 С). При неизменном потоке солнечной радиации среднегодовая приповерхностная температура определяется тепловым балансом Земли, для которого выполняются условия равенства величины поглощения коротковолновой солнечной радиации (земной поверхностью, атмосферой и океаном) и, излучения длинноволновой радиации. Поскольку поток солнечной радиации меняется во времени, то изменяются и характеристики теплового баланса и соответствующие ему значения средней приповерхностной температуры.

Вторая важная функция атмосферы – теплообмен или перераспределение тепла (эта функция характерна и для Мирового океана). Как уже отмечалось, поступающая на земную поверхность солнечная радиация преобразуется в тепловую энергию, которая перераспределяется в атмосфере Земли (и в Мировом океане) в направлении от экваториальной области (источника тепла) к полярным областям (стока тепла). Результатом такого перераспределения тепла является сглаживание широтных температурных различий в меридиональном направлении (Монин, Шишков, 1979). Этот механизм теплообмена также известен как «тепловая машина первого рода» (Шулейкин, 1953). В годовом ходе он более интенсивно проявляется в зимнее в полушариях полугодие из-за больших значений межширотного градиента температуры. Известны и другие механизмы теплообмена: теплообмен между материками и океанами, связанный с сезонной сменой областей источников и стока тепла («тепловая машина второго рода», Шулейкин, 1953), теплообмен между океаном и атмосферой (Анисимов и др., 2011), сезонный теплообмен между полушариями (Shaw, 1936; Стехновский, 1960; Сидоренков, Стехновский, 1971, 1972; Сидоренков, 2002). Перераспределение тепла в атмосфере в основном происходит в процессе движения воздушных масс (циркуляционных процессов в атмосфере), в океане – водных масс. Кроме того, как известно из физики, теплообмен проявляется в форме теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Проявление межширотного теплообмена в атмосфере видно из табл 1 и рис.1.

Чем больше температурные контрасты, между экваториальной областью и полярными районами тем интенсивнее вихревое движение в тропосфере. Последнее способствует некоторому выравниванию температурного контраста путем переноса избытка тепла в высокие широты, а избытка холода – в низкие. О значении этого механизма в формировании поля температуры и, следовательно, циркуляции воздуха можно судить по данным, приведенным в табл. 1. Из нее видно, что межширотный воздухообмен приводит к понижению температуры на 7 – 13 С в низких широтах и к повышению температуры на 19 – 23 С в высоких широтах. То есть, в результате межширотного теплообмена области расположенные в высоких широтах приобретают дополнительное тепло, а расположенные в низких широтах охлаждаются за счет притока более холодного воздуха из высоких широт (Дроздов и др., 1989).

Среднее значение температуры полушарий и Земли в результате межширотного теплообмена практически не меняется. Происходит только перераспределение полученного от солнечной радиации тепла по земной поверхности. Средняя приповерхностная температура северного полушария, рассчитанная по данным условий лучистого равновесия (табл. 1) составляет 14,2 С, рассчитанная по фактическим данным – 15,3 С. В работе М. Миланковича (Миланкович, 1939) приводятся средние годовые значения температуры для отдельных параллелей (при неподвижной атмосфере и равномерном распределении суши однородной земной поверхности). Этим данным соответствует средняя температура полушария 15,1 С. Учитывая возможные погрешности в приведенных значениях средней температуры полушария, можно считать ее, практически постоянной, при одной величине приходящей солнечной радиации (в пределах 14 С – 15 C).
Для современной эпохи отмечается увеличение средней приповерхностной температуры Земли и полушарий – потепление глобального климата (рис. 2).

Распределение средних для широтных зон значений приповерхностной температуры за период с 1961 по 1990 гг. приведены в табл. 2. Приведенным значениям соответствуют средние значения приповерхностной температуры Земли 13,97 С, северного полушария – 14,59 С, южного полушария – 13,36 С. Представленное на рис. 2 распределение значений аномалии рассчитано относительно этих средних величин.

Одной из основных задач наших исследований является определение причин повышения средней приповерхностной температуры Земли и поверхностного слоя Мирового океана. Представляется естественным, что физическую основу объяснения изменений глобального климата Земли могут составлять фундаментальные физические взаимодействия: гравитационное и электромагнитное. В соответствии с этим, были выполнены расчеты значений солнечной радиации приходящей на поверхность земного эллипсоида в отсутствии атмосферы с учетом возмущенного орбитального движения Земли для интервала времени малой продолжительности. Результаты выполненных расчетов и исследований солярного климата представлены в соответствующих разделах сайта в виде базы радиационных данных и в текстовой форме (вариации солярного климата Земли). Поиски причин изменения глобальной температуры связаны с изучением реакции межширотного теплообмена и отклика парникового эффекта (важнейших функций атмосферы и океана) на вариации в приходе солнечной радиации. Эти явления исследовались на основе анализа связи многолетних изменений приповерхностной температуры Земли, температуры поверхностного слоя океана, сокращения площади морских льдов в северном полушарии, изменение продолжительности зональной и меридиональной циркуляции и других климатических и биосферных изменений с многолетними вариациями приходящей солнечной радиации и накопленной солнечной радиации. Частные, для отдельных компонентов природной среды, результаты исследований приведены в соответствующих разделах сайта. Основные результаты и выводы в обобщенном виде представлены на отдельной странице сайта.